Un elemento calefactor es un dispositivo utilizado para convertir energía eléctrica en calor y consta de una resistencia calefactora y accesorios. [1] El calor se genera mediante el paso de corriente eléctrica a través de una resistencia mediante un proceso conocido como Calentamiento Joule . Los elementos calefactores se utilizan en electrodomésticos, equipos industriales e instrumentos científicos que les permiten realizar tareas como cocinar, calentar o mantener temperaturas específicas superiores a la ambiental.
Se pueden utilizar elementos calefactores para transferir calor mediante conducción , convección o radiación . Son diferentes a los dispositivos que generan calor a partir de energía eléctrica mediante el efecto Peltier y no dependen de la dirección de la corriente eléctrica.
Los materiales utilizados en los elementos calefactores tienen una resistividad eléctrica relativamente alta , que es una medida de la capacidad del material para resistir la corriente eléctrica. La resistencia eléctrica que tendrá una cierta cantidad de material elemental está definida por la ley de Pouillet como
La resistencia por longitud de cable (Ω/m) de un material de elemento calefactor se define en las normas ASTM y DIN. [2] : 2 [3] [4] En ASTM, se especifica que los alambres de más de 0,127 mm de diámetro se mantengan dentro de una tolerancia de ±5% Ω/m y para alambres más delgados ±8% Ω/m.
El rendimiento del elemento calefactor a menudo se cuantifica caracterizando la densidad de potencia del elemento. La densidad de potencia se define como la potencia de salida , P, de un elemento calefactor dividida por el área de superficie calentada , A, del elemento. [5] En términos matemáticos se expresa como:
La densidad de potencia es una medida del flujo de calor (denotada como Φ) y se expresa con mayor frecuencia en vatios por milímetro cuadrado o vatios por pulgada cuadrada .
Los elementos calefactores con baja densidad de potencia tienden a ser más caros pero tienen una vida más larga que los elementos calefactores con alta densidad de potencia. [6]
En los Estados Unidos, la densidad de potencia a menudo se denomina "densidad de vatios". A veces también se la denomina "carga de superficie del cable".
Los cables de resistencia son resistencias muy largas y delgadas que tienen una sección transversal circular. Al igual que el cable conductor , el diámetro del cable de resistencia a menudo se mide con un sistema de calibre, como el American Wire Gauge (AWG) . [7]
Los elementos calefactores de cinta de resistencia se fabrican aplanando un alambre de resistencia redondo, dándoles una sección transversal rectangular con esquinas redondeadas. [8] : 54 Generalmente los anchos de la cinta están entre 0,3 y 4 mm. Si una cinta es más ancha que eso, se corta de una tira más ancha y, en cambio, puede llamarse tira de resistencia . En comparación con el alambre, la cinta se puede doblar con un radio más estrecho y puede producir calor más rápido y a un menor costo debido a su mayor relación superficie-volumen. Por otro lado, la vida útil de la cinta es a menudo más corta que la vida útil del cable y el precio por unidad de masa de cinta es generalmente más alto. [8] : 55 En muchas aplicaciones, la cinta de resistencia se enrolla alrededor de una tarjeta de mica o en uno de sus lados. [8] : 57
La bobina de resistencia es un cable de resistencia que tiene forma de bobina. [8] : 100 bobinas se enrollan muy apretadas y luego se relajan hasta 10 veces su longitud original en uso. Las bobinas se clasifican por su diámetro y paso, o número de bobinas por unidad de longitud.
Los aisladores de elementos calefactores sirven para aislar eléctrica y térmicamente la resistencia calefactora del entorno y de cuerpos extraños. [9] Generalmente para elementos que operan a temperaturas superiores a 600 °C se utilizan aisladores cerámicos. [8] : 137 El óxido de aluminio , el dióxido de silicio y el óxido de magnesio son compuestos comúnmente utilizados en los aisladores de elementos calefactores cerámicos. Para temperaturas más bajas se utiliza una gama más amplia de materiales.
Los cables eléctricos sirven para conectar un elemento calefactor a una fuente de energía. Generalmente están hechos de materiales conductores como el cobre que no tienen una resistencia a la oxidación tan alta como el material de resistencia activa. [8] : 131-132
Los terminales del elemento calefactor sirven para aislar el material de resistencia activa de los cables. Los terminales están diseñados para tener una resistencia menor que el material activo al tener una resistividad menor y/o un diámetro mayor. También pueden tener una menor resistencia a la oxidación que el material activo. [8] : 131-132
Los elementos calefactores generalmente se clasifican en una de tres estructuras: suspendidos, empotrados o apoyados . [8] : 164–166
Los elementos tubulares o enfundados (también denominados por su marca, Calrods® [10] ) normalmente comprenden una fina bobina de alambre de resistencia rodeada por un aislante eléctrico y una funda o carcasa metálica en forma de tubo. El aislamiento suele ser un polvo de óxido de magnesio y la funda normalmente está construida con una aleación de cobre o acero. Para mantener la humedad fuera del aislante higroscópico , los extremos están equipados con perlas de material aislante como cerámica o caucho de silicona, o una combinación de ambos. El tubo pasa a través de una matriz para comprimir el polvo y maximizar la transmisión de calor. Pueden ser una varilla recta (como en los hornos tostadores ) o dobladas para abarcar un área a calentar (como en estufas eléctricas , hornos y cafeteras ).
Las pistas de metal-cerámica serigrafiadas depositadas sobre placas metálicas (generalmente de acero) con aislamiento cerámico han encontrado una amplia aplicación como elementos en teteras y otros electrodomésticos desde mediados de la década de 1990.
Los elementos calefactores radiativos (lámparas de calor) son lámparas incandescentes de alta potencia que funcionan a una potencia inferior a la máxima para irradiar principalmente luz infrarroja en lugar de luz visible. Por lo general, se encuentran en calentadores radiantes y calentadores de alimentos, y tienen forma tubular larga o forma de lámpara reflectora R40 . El estilo de la lámpara reflectora suele estar teñido de rojo para minimizar la luz visible producida; la forma tubular se presenta en diferentes formatos:
Los elementos centrales cerámicos removibles utilizan un alambre de aleación de calentamiento por resistencia enrollado a través de uno o más segmentos cerámicos cilíndricos para obtener la longitud requerida (relacionada con la salida), con o sin una varilla central. Insertados en una funda o tubo metálico sellado en un extremo, este tipo de elementos permiten su sustitución o reparación sin interrumpir el proceso implicado, normalmente calentamiento de fluidos a presión.
Los elementos de lámina grabada generalmente se fabrican con las mismas aleaciones que los elementos de alambre de resistencia, pero se producen con un proceso de fotograbado sustractivo que comienza con una lámina continua de lámina metálica y termina con un patrón de resistencia complejo. Estos elementos se encuentran comúnmente en aplicaciones de calefacción de precisión, como diagnóstico médico y aeroespacial.
Los calentadores resistivos pueden estar hechos de materiales de caucho PTC conductores donde la resistividad aumenta exponencialmente al aumentar la temperatura. [11] Un calentador de este tipo producirá alta potencia cuando haga frío y se calentará rápidamente hasta una temperatura constante. Debido al aumento exponencial de la resistividad, el calentador nunca puede calentarse a más de esta temperatura. Por encima de esta temperatura, el caucho actúa como aislante eléctrico. La temperatura se puede elegir durante la producción del caucho. Las temperaturas típicas están entre 0 y 80 °C (32 y 176 °F).
Es un calentador autorregulador y autolimitador puntual . Autorregulable significa que cada punto del calentador mantiene de forma independiente una temperatura constante sin necesidad de regulación electrónica. Autolimitado significa que el calentador nunca puede exceder una temperatura determinada en ningún punto y no requiere protección contra sobrecalentamiento.
Los calentadores de película gruesa son un tipo de calentador resistivo que se puede imprimir sobre un sustrato delgado. Los calentadores de película gruesa presentan varias ventajas sobre los elementos de resistencia convencionales con revestimiento metálico. En general, los elementos de película gruesa se caracterizan por su factor de forma de perfil bajo, uniformidad de temperatura mejorada, respuesta térmica rápida debido a la masa térmica baja, alta densidad de energía y una amplia gama de compatibilidad de voltaje. Normalmente, los calentadores de película gruesa se imprimen en sustratos planos, así como en tubos con diferentes patrones de calentadores. Estos calentadores pueden alcanzar densidades de potencia de hasta 100 W/cm 2 dependiendo de las condiciones de transferencia de calor. [12] Los patrones del calentador de película gruesa son altamente personalizables en función de la resistencia de la lámina de la pasta de resistencia impresa.
Estos calentadores se pueden imprimir en una variedad de sustratos, incluidos metal, cerámica, vidrio y polímero, utilizando pastas de película gruesa cargadas con metal o aleaciones. [12] Los sustratos más comunes utilizados para imprimir calentadores de película gruesa son láminas de aluminio 6061-T6, acero inoxidable y mica moscovita o flogopita . Las aplicaciones y características operativas de estos calentadores varían ampliamente según los materiales del sustrato elegidos. Esto se atribuye principalmente a las características térmicas de los sustratos.
Existen varias aplicaciones convencionales de calentadores de película gruesa. Se pueden utilizar en planchas, planchas para gofres, calentadores eléctricos de estufas, humidificadores, teteras, dispositivos de sellado térmico, calentadores de agua, planchas y vaporizadores, planchas para el cabello, calderas, camas calientes de impresoras 3D , cabezales de impresión térmica y pistolas de pegamento. , equipos de calefacción de laboratorio, secadoras de ropa, calentadores de zócalo, bandejas calentadoras, intercambiadores de calor, dispositivos de deshielo y desempañamiento para parabrisas de automóviles, espejos laterales, descongelación de refrigeradores, etc. [13]
Para la mayoría de las aplicaciones, el rendimiento térmico y la distribución de temperatura son los dos parámetros de diseño clave. Para mantener una distribución uniforme de la temperatura en un sustrato, el diseño del circuito se puede optimizar cambiando la densidad de potencia localizada del circuito de resistencia. Un diseño optimizado del calentador ayuda a controlar la potencia de calefacción y modular las temperaturas locales en todo el sustrato del calentador. En los casos en los que se requieren dos o más zonas de calentamiento con diferentes densidades de potencia en un área relativamente pequeña, se puede diseñar un calentador de película gruesa para lograr un patrón de calentamiento zonal en un solo sustrato.
Los calentadores de película gruesa se pueden clasificar en gran medida en dos subcategorías: materiales con coeficiente de temperatura negativo (NTC) y materiales con coeficiente de temperatura positivo (PTC), según el efecto de los cambios de temperatura en la resistencia del elemento. Los calentadores de tipo NTC se caracterizan por una disminución de la resistencia a medida que aumenta la temperatura del calentador y, por lo tanto, tienen una mayor potencia a temperaturas más altas para un voltaje de entrada determinado. Los calentadores PTC se comportan de manera opuesta: aumentan la resistencia y disminuyen la potencia del calentador a temperaturas elevadas. Esta característica de los calentadores PTC los hace autorregulables, ya que su potencia se estabiliza a temperaturas fijas. Por otro lado, los calentadores de tipo NTC generalmente requieren un termostato o un termopar para controlar el descontrol del calentador. Estos calentadores se utilizan en aplicaciones que requieren un rápido aumento de la temperatura del calentador hasta un punto de ajuste predeterminado, ya que generalmente actúan más rápido que los calentadores de tipo PTC.
Una caldera de electrodos utiliza electricidad que fluye a través de corrientes de agua para crear vapor. Los voltajes de funcionamiento suelen estar entre 240 y 600 voltios, CA monofásica o trifásica . [14]
Los calentadores láser son elementos calefactores que se utilizan para alcanzar temperaturas muy altas. [15]
Los materiales utilizados en los elementos calefactores se seleccionan por una variedad de propiedades mecánicas, térmicas y eléctricas. [9] Debido al amplio rango de temperaturas de funcionamiento que soportan estos elementos, las dependencias de la temperatura de las propiedades del material son una consideración común.
Las aleaciones calefactoras por resistencia son metales que pueden utilizarse con fines de calentamiento eléctrico por encima de 600 °C en el aire. Se pueden distinguir de las aleaciones de resistencia que se utilizan principalmente para resistencias que funcionan por debajo de 600 °C. [8]
Si bien la mayoría de los átomos de estas aleaciones corresponden a los que figuran en su nombre, también se componen de oligoelementos. Los oligoelementos juegan un papel importante en las aleaciones de resistencia, ya que tienen una influencia sustancial en las propiedades mecánicas como la trabajabilidad, la estabilidad de la forma y la vida de oxidación. [8] Algunos de estos oligoelementos pueden estar presentes en las materias primas básicas, mientras que otros pueden agregarse deliberadamente para mejorar el rendimiento del material. Los términos contaminantes y mejoras se utilizan para clasificar los oligoelementos. [9] Los contaminantes suelen tener efectos indeseables, como una vida útil más corta y un rango de temperatura limitado. El fabricante agrega intencionalmente mejoras que pueden proporcionar mejoras como una mayor adhesión de la capa de óxido, una mayor capacidad para mantener la forma o una vida útil más larga a temperaturas más altas.
Las aleaciones más comunes utilizadas en elementos calefactores incluyen:
Las aleaciones calefactoras de resistencia de Ni-Cr(Fe), también conocidas como nicromo o cromel , se describen en las normas ASTM y DIN. [2] [4] Estas normas especifican los porcentajes relativos de níquel y cromo que deben estar presentes en una aleación. En ASTM se especifican tres aleaciones que contienen, entre otros oligoelementos:
El nicromo 80/20 es una de las aleaciones de calentamiento por resistencia más utilizadas porque tiene una resistencia relativamente alta y forma una capa adherente de óxido de cromo cuando se calienta por primera vez. El material debajo de esta capa no se oxidará, lo que evitará que el cable se rompa o se queme.
Las aleaciones calefactoras de resistencia Fe-Cr-Al, también conocidas como Kanthal® , están descritas en una norma ASTM. [3] Los fabricantes pueden optar por utilizar esta clase de aleaciones en lugar de aleaciones de Ni-Cr(Fe) para evitar el coste típicamente relativamente más alto del níquel como materia prima en comparación con el aluminio. La desventaja es que las aleaciones de Fe-Cr-Al son más frágiles y menos dúctiles que las de Ni-Cr(Fe), lo que las hace más delicadas y propensas a fallar. [dieciséis]
Por otro lado, la capa de óxido de aluminio que se forma en la superficie de las aleaciones Fe-Cr-Al es más termodinámicamente estable que la capa de óxido de cromo que tiende a formarse sobre Ni-Cr(Fe), lo que hace que el Fe-Cr-Al sea mejor en resistiendo la corrosión. [16] Sin embargo, la humedad puede ser más perjudicial para la vida útil del cable de Fe-Cr-Al que el Ni-Cr(Fe). [8]
Las aleaciones de Fe-Cr-Al, como los aceros inoxidables, tienden a volverse quebradizas a temperatura ambiente después de calentarse en el rango de temperatura de 400 a 575 °C durante un período prolongado. [17]
Los elementos calefactores encuentran aplicación en una amplia gama de entornos domésticos, comerciales e industriales:
La vida útil de un elemento calefactor especifica cuánto tiempo se espera que dure en una aplicación. Generalmente los elementos calefactores de un electrodoméstico tendrán una duración nominal de entre 500 y 5000 horas de uso, dependiendo del tipo de producto y de su uso. [8] : 164
Un alambre o cinta más delgado siempre tendrá una vida más corta que uno más grueso a la misma temperatura. [8] : 58
ASTM International describe las pruebas de vida estandarizadas para materiales de calentamiento por resistencia . Para medir la resistencia a la oxidación cíclica de los materiales se utilizan pruebas de vida acelerada para aleaciones de Ni-Cr(Fe) [22] y aleaciones de Fe-Cr-Al [23] destinadas a calentamiento eléctrico.
El alambre y la cinta de resistencia suelen enviarse enrollados en carretes . [8] : 58–59 Generalmente, cuanto más delgado es el cable, más pequeño es el carrete. En algunos casos, se pueden utilizar paquetes de cubos o anillos en lugar de carretes.
Los requisitos generales de seguridad para los elementos calefactores utilizados en electrodomésticos están definidos por la Comisión Electrotécnica Internacional (IEC) . [24] La norma especifica límites para parámetros como la resistencia del aislamiento, la distancia de fuga y la corriente de fuga. También proporciona tolerancias en la clasificación de un elemento calefactor.
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